Evolutie in actie problemen en mogelijkheden van snelle
Evolutie in actie problemen en mogelijkheden van snelle evolutie Arjan de Visser NIBI congres, 13 januari 2017
Evolutie in het verleden 2
Evolutie in het heden: evolutie in actie Top 10 doodsoorzaken wereldwijd (2012) Hart- en vaatziekten Kanker Infectie- en parasitaire ziekten Ademhalingsziekten Ongelukken Luchtweginfecties Aangeboren afwijkingen Spijsverteringsziekten Diabetes mellitus Geweld Spaanse griep 1918 (bron: wikipedia. org) (Bron: WHO) (bron: WHO) 0 5 10 15 20 25 % Mortaliteit 30 35 3
Stap 1: evolutie via natuurlijke selectie Charles Darwin (1809 -1882) (portret door George Richmond, 1839) 4
Stap 2: populatiegenetica & genetishe drift R. A. Fisher (1890 -1962) J. B. S. Haldane (1892 -1964) Gregor Mendel (1822 -1884) Sewall Wright (1889 -1988) 5
Stap 3: moleculaire biologie James Watson (1928) Max Delbrück (1906 -1981) Salvador Luria (1912 -1991) Francis Crick (1916 -2004) DNA Eiwit Eigenschap χ 6
Evolutiebiologie is ‘softe’ wetenschap • Evolutietheorie krachtig in verklaren van leven door terug te kijken… • …maar niet in staat om de uitkomst te voorspellen o. g. v. basisprincipes, zoals in natuurkunde • Lange-termijn doel: vinden van basisprincipes die voorspellingen mogelijk maken 7
Evolutie: toeval of noodzaak? Steven J. Gould (1941 -2002): “Any replay of life’s tape would lead evolution down a path radically different from the road actually taken” life Tape of Simon Conway Morris (1951): “The evolutionary pathways are many but the destinations are limited” 8
Vergelijkende methode: studie patroon Proces Patroon (Skinner et al. 2014 Gen. Biol. Evol. ) 9
Evolutie in actie: studie proces W. H. Dallinger (1839 -1909) 10
Experimentele evolutie • Populaties micro-organismen evolueren in lab gedurende vele generaties • Door korte generatietijd en grote populaties: directe observatie van proces van evolutie i. p. v. afleiden proces uit patroon • Controle condities, manipulatie variabelen 11
Voordelen micro-organismen o o o snelle generaties grote populaties controle over condities mogelijkheid evolutie tijdelijk te stoppen in diepvries cloneren: replicatie van het experiment 12
Bevroren fossielen: ‘tijdmachine’ 13
Directe competitie tussen voorouder en geëvolueerde lijn (Elena & Lenski 2003 Nat Rev Genet) 14
Lenski’s lange-termijn evolutie-experiment • In 1988, 12 populaties gestart met dezelfde E. coli stam • Populaties dagelijks overgeënt naar vers medium, groei @ 37°C • ~7 bacterie-generaties per dag, nu >66, 000 generaties • Regelmatig cellen opgeslagen in diepvries (-80°C) Richard E. Lenski 15
Relative fitness Snelheid van evolutie Time (generations) (Wiser et al. 2013 Science) 16
Adaptatie in een enkele populatie (Lenski & Travisano 1994 PNAS) 17
Herhaalbaarheid van evolutie Groeisnelheid DNA Celgrootte (Lenski & Travisano 1994 PNAS, Woods et al. 2006 PNAS) 18
Een evolutionaire innovatie • Citraat aanwezig in groeimedium (om ijzer op te nemen), maar E. coli kan het niet metaboliseren • Na > 30, 000 generaties, heeft 1 v/d 12 E. coli populaties dit toch “geleerd” en daardoor een enorm fitnessvoordeel • Toen had elke populatie > 109 mutaties uitgeprobeerd! • Waarom duurde evolutie citraat-metabolisme zo lang? (Blount et al. 2008 PNAS) 19
Een evolutionaire innovatie H 1: cit+ mutatie zeer zeldzaam H 2: cit+ fenotype pas mogelijk na ‘voorbereidende’ mutaties Mutatiesnelheid → cit+ fenotype • Dus, evolutie citraat metabolisme afhankelijk van eerdere mutaties die toevallig aanwezig waren (H 2) 20
De routeplanner van evolutie i. Wat zijn de mogelijke routes? ii. Hoe kiest evolutie hieruit? 21
Fitnesslandschap: berglandschap van evolutie (cr edi Sewall Wright (1889 -1981) t: E. K oon in) Enorm aantal mogelijkheden. . . maar beperkt aantal oplossingen 22
Evolutie als woordspelletje word gord werd wond wore gerd gond gore wend were gend gere gone wene gene wone John Maynard Smith (1920 -2004) . . . ook aantal begaanbare routes naar oplossing is beperkt door niet-functionele tussenstappen 23
Experimentele fitnesslandschappen • Echte fitnesslandschappen complex • Onderzoek onderliggende oorzaken via rekenmodellen en eiwitanalyses (credit: Elisa Carolus) 24 (de Visser & Krug 2014 Nat. Rev. Genet. )
Keuzes van kleine en grote populaties (Szendro et al. 2013 PNAS) 25
De diverse routes van kleine populaties E. coli β-lactamase 26 (credit: Elisa Carolus) Elisaet. Carolus) (Rozen et al. 2008 PLo. S (picture: One, Salverda al. , unpublished)
Evolutie in actie in het onderwijs I (Baym et al. 2016 Science) 27
Evolutie in actie in het onderwijs II Gemeenschappelijke voorouder Tekenexperiment Jelle Zandveld Meer info: http: //cargocollective. com/CJEE 28
1 e generatie nakomelingen Selectie voor dik kruis Selectie voor dun kruis 29
Volgende generatie Selectie voor dik kruis Selectie voor dun kruis 30
Na 7 generaties Evolutie indien: • Variatie • Erfelijkheid • Selectie 31
- Slides: 31